JP6863093B2 - Light receiving element and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は受光素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a light receiving element and a method for manufacturing the same.
メサ構造を有し、光を受光して電気信号を発生させる受光素子が知られている(例えば特許文献1)。 A light receiving element having a mesa structure and receiving light to generate an electric signal is known (for example, Patent Document 1).
例えば受光素子を赤外線センサなどとする場合、高画素化のためにメサ間のピッチを小さくすることが好ましい。また、暗電流を低減するために、電極を光吸収層の近くに設けることが好ましい。しかし、メサ間のピッチを小さくすると電極の形成が難しくなる。 For example, when the light receiving element is an infrared sensor or the like, it is preferable to reduce the pitch between mesas in order to increase the number of pixels. Further, in order to reduce the dark current, it is preferable to provide the electrode near the light absorption layer. However, if the pitch between mesas is reduced, it becomes difficult to form electrodes.
そこで、メサ間のピッチを小さくし、かつ電極を形成することが可能な受光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a light receiving element capable of forming an electrode while reducing the pitch between mesas and a method for manufacturing the same.
本発明に係る受光素子の製造方法は、化合物半導体で形成された半導体基板上に、順に積層される第1の導電型の第1層、光吸収層、第2の導電型の第2層、および前記第2の導電型の第3層を含む半導体層を成長する工程と、第1開口部、および前記第1開口部から離間し前記第1開口部よりも幅の大きい第2開口部を有する第1マスクを、前記半導体層の上に形成する工程と、前記半導体層のうち、前記第2開口部内において前記第1開口部内の部分よりもエッチングが進行するように、前記第1マスクを用いて前記半導体層をエッチングする工程と、前記第1開口部に重なる第3開口部と、前記第2開口部に重なりかつ前記第2開口部よりも幅の大きい第4開口部と、を有する第2マスクを、前記半導体層の上に形成する工程と、前記半導体層のうち前記第3開口部に挟まれた領域にメサが形成され、前記第4開口部内に第1層からなるn型コンタクト領域が形成されるように、前記第2マスクを用いて前記半導体層をエッチングする工程と、前記メサの上に前記第3層と電気的に接続される第1電極を形成し、前記n型コンタクト領域の上に前記第1層と電気的に接続される第2電極を形成する工程と、を有し、前記メサは前記第1層、前記光吸収層、前記第2層および前記第3層を含み、前記半導体層のうち、前記第1マスクに覆われ、かつ前記第2マスクの前記第4開口部から露出する領域が、前記第2マスクを用いたエッチングの後、前記n型コンタクト領域になるものである。 The method for manufacturing a light receiving element according to the present invention includes a first conductive type first layer, a light absorption layer, and a second conductive type second layer, which are sequentially laminated on a semiconductor substrate formed of a compound semiconductor. And the step of growing the semiconductor layer including the second conductive type third layer, the first opening, and the second opening separated from the first opening and wider than the first opening. The first mask is formed so that the step of forming the first mask to be held on the semiconductor layer and the etching of the semiconductor layer proceed more than the portion in the first opening in the second opening. It has a step of etching the semiconductor layer using the semiconductor layer, a third opening overlapping the first opening, and a fourth opening overlapping the second opening and wider than the second opening. A step of forming the second mask on the semiconductor layer, and an n-type structure in which a mesa is formed in a region of the semiconductor layer sandwiched between the third openings and the first layer is formed in the fourth opening. A step of etching the semiconductor layer using the second mask so that a contact region is formed, and a first electrode electrically connected to the third layer is formed on the mesa, and the n It has a step of forming a second electrode electrically connected to the first layer on the mold contact region, and the mesa is the first layer, the light absorbing layer, the second layer and the first layer. The n-type region of the semiconductor layer including the three layers, which is covered with the first mask and is exposed from the fourth opening of the second mask after etching with the second mask. It is a contact area.
本発明に係る受光素子は、化合物半導体で形成された半導体基板と、前記半導体基板上に順に積層された第1の導電型の第1層、光吸収層、第2の導電型の第2層、および前記第2の導電型の第3層を含み、前記半導体基板の中央側から外周側にかけて、メサ、テラス、n型コンタクト領域および溝が形成された半導体層と、前記メサの上に設けられ、前記第3層と電気的に接続された第1電極と、前記テラスの上から前記溝の内側にかけて設けられ、前記n型コンタクト領域において前記第1層と接触し、かつ電気的に接続された第2電極と、を具備し、前記メサおよび前記テラスは前記第1層、前記光吸収層、前記第2層および前記第3層を含み、前記n型コンタクト領域は前記第1層で形成されているものである。 The light receiving element according to the present invention includes a semiconductor substrate formed of a compound semiconductor, a first conductive type first layer, a light absorption layer, and a second conductive type second layer which are sequentially laminated on the semiconductor substrate. , And a semiconductor layer including the second conductive type third layer and having a mesa, a terrace, an n-type contact region and a groove formed from the central side to the outer peripheral side of the semiconductor substrate, and provided on the mesa. The first electrode, which is electrically connected to the third layer, is provided from the top of the terrace to the inside of the groove, and is in contact with and electrically connected to the first layer in the n-type contact region. The mesa and the terrace include the first layer, the light absorbing layer, the second layer and the third layer, and the n-type contact region is the first layer. It is formed.
上記発明によれば、メサ間のピッチを小さくし、かつ電極を形成することが可能である。 According to the above invention, it is possible to reduce the pitch between mesas and form electrodes.
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
[Explanation of Embodiments of the Invention]
First, the contents of the embodiments of the present invention will be listed and described.
本願発明の一形態は、(1)化合物半導体で形成された半導体基板上に、順に積層される第1の導電型の第1層、光吸収層、第2の導電型の第2層、および前記第2の導電型の第3層を含む半導体層を成長する工程と、第1開口部、および前記第1開口部から離間し前記第1開口部よりも幅の大きい第2開口部を有する第1マスクを、前記半導体層の上に形成する工程と、前記半導体層のうち、前記第2開口部内において前記第1開口部内の部分よりもエッチングが進行するように、前記第1マスクを用いて前記半導体層をエッチングする工程と、前記第1開口部に重なる第3開口部と、前記第2開口部に重なりかつ前記第2開口部よりも幅の大きい第4開口部と、を有する第2マスクを、前記半導体層の上に形成する工程と、前記半導体層のうち前記第3開口部に挟まれた領域にメサが形成され、前記第4開口部内に第1層からなるn型コンタクト領域が形成されるように、前記第2マスクを用いて前記半導体層をエッチングする工程と、前記メサの上に前記第3層と電気的に接続される第1電極を形成し、前記n型コンタクト領域の上に前記第1層と電気的に接続される第2電極を形成する工程と、を有し、前記メサは前記第1層、前記光吸収層、前記第2層および前記第3層を含み、前記半導体層のうち、前記第1マスクに覆われ、かつ前記第2マスクの前記第4開口部から露出する領域が、前記第2マスクを用いたエッチングの後、前記n型コンタクト領域になる受光素子の製造方法である。これにより、n型コンタクト領域を通じて第2電極と第1層とを電気的に接続することができる。また、メサ間に第2電極を設けなくてよいため、メサの間のピッチを小さくすることができる。
(2)前記第2マスクを形成する工程において、前記第1マスクの前記第2開口部に隣接する部分を除去することにより、前記第1マスクから前記第2マスクを形成してもよい。これにより工程が簡略化される。
(3)前記第1マスクを形成する工程は、第1フォトレジストを用いたエッチングにより、前記第1マスクに前記第1開口部および前記第2開口部を形成する工程を含み、前記第2マスクを形成する工程は、第2フォトレジストを用いたエッチングにより、前記第1マスクの前記第2開口部に隣接する部分を除去することで前記第4開口部を形成する工程を含んでもよい。これにより工程が簡略化される。また、第1レジストマスクおよび第2レジストマスクの面積が小さくなり、変質層の発生が抑制される。変質層によるエッチングの阻害が発生しにくく、第1レジストマスクおよび第2レジストマスクの除去も効果的に行われる。
(4)前記第2マスクを用いてエッチングする工程において、前記半導体層の前記第1開口部および前記第3開口部に重なる領域は前記第1層までエッチングされ、前記半導体層の前記第3開口部と前記第4開口部とに挟まれた領域に、前記第1層、前記光吸収層、前記第2層および前記第3層を含むテラスが形成され、前記第2開口部および前記第4開口部に重なる位置に前記半導体基板に到達する溝が形成されてもよい。二回のエッチングにより、メサおよびn型コンタクト領域を形成することができ、工程が簡略化される。
(5)前記n型コンタクト領域は、前記テラスと前記溝との間に位置してもよい。第2電極と光吸収層との距離を小さくすることができ、第1層の格子欠陥および不純物などに起因する暗電流を低減することができる。
(6)前記第1マスクは格子状の前記第1開口部を有し、前記第2マスクは、前記第1開口部と重なる格子状の前記第2開口部を有し、前記第2マスクを用いて前記半導体層をエッチングする工程において、前記半導体層のうち前記第3開口部に囲まれた領域に複数のメサが形成されてもよい。
(7)前記第2開口部の幅は前記第1開口部の幅の10倍以上であり、前記第4開口部の幅は前記第3開口部の幅の10倍以上でもよい。これによりマイクロローディング効果を伴うエッチングが行われる。
(8)前記第1層はn型超格子層であり、前記第2層はp型超格子層でもよい。第1層に接続される第2電極はn型の導電型を有し、第1層に接続される第1電極はp型の導電型を有する。
(9)前記メサおよび前記テラスそれぞれの上面および側面を覆う絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、前記メサの上に位置する第5開口部と、前記n型コンタクト領域および前記溝の上に位置する第6開口部とを形成する工程と、を有し、前記第1電極は、前記第5開口部から露出する前記第3層と接触し、前記第2電極は、前記第6開口部から露出する前記第1層と接触してもよい。絶縁膜により、第2電極と光吸収層および第2層とは絶縁される。また絶縁膜により化合物半導体層を保護することができる。
(10)化合物半導体で形成された半導体基板と、前記半導体基板上に順に積層された第1の導電型の第1層、光吸収層、第2の導電型の第2層、および前記第2の導電型の第3層を含み、前記半導体基板の中央側から外周側にかけて、メサ、テラス、n型コンタクト領域および溝が形成された半導体層と、前記メサの上に設けられ、前記第3層と電気的に接続された第1電極と、前記テラスの上から前記溝の内側にかけて設けられ、前記n型コンタクト領域において前記第1層と接触し、かつ電気的に接続された第2電極と、を具備し、前記メサおよび前記テラスは前記第1層、前記光吸収層、前記第2層および前記第3層を含み、前記n型コンタクト領域は前記第1層で形成されている受光素子である。これにより、n型コンタクト領域において第2電極と第1層とを電気的に接続することができる。また、メサ間に第2電極を設けなくてよいため、メサの間のピッチを小さくすることができる。
One embodiment of the present invention includes (1) a first conductive type first layer, a light absorption layer, a second conductive type second layer, and a second conductive type layer, which are sequentially laminated on a semiconductor substrate formed of a compound semiconductor. It has a step of growing a semiconductor layer including the second conductive type third layer, a first opening, and a second opening separated from the first opening and wider than the first opening. The first mask is used in the step of forming the first mask on the semiconductor layer and in the semiconductor layer so that etching proceeds more in the second opening than in the first opening. A third opening having a step of etching the semiconductor layer, a third opening overlapping the first opening, and a fourth opening overlapping the second opening and having a width larger than that of the second opening. An n-type contact composed of a first layer in the step of forming the two masks on the semiconductor layer and a mesa formed in a region of the semiconductor layer sandwiched between the third openings. The step of etching the semiconductor layer using the second mask and the first electrode electrically connected to the third layer are formed on the mesa so that a region is formed, and the n-type is formed. It comprises a step of forming a second electrode electrically connected to the first layer on the contact region, and the mesa is the first layer, the light absorbing layer, the second layer and the third layer. The region of the semiconductor layer including the layer, which is covered with the first mask and is exposed from the fourth opening of the second mask, is the n-type contact after etching with the second mask. This is a method for manufacturing a light receiving element that becomes a region. As a result, the second electrode and the first layer can be electrically connected through the n-type contact region. Further, since the second electrode does not have to be provided between the mesas, the pitch between the mesas can be reduced.
(2) In the step of forming the second mask, the second mask may be formed from the first mask by removing the portion of the first mask adjacent to the second opening. This simplifies the process.
(3) The step of forming the first mask includes the step of forming the first opening and the second opening in the first mask by etching using the first photoresist, and the second mask. The step of forming the fourth opening may include a step of forming the fourth opening by removing a portion of the first mask adjacent to the second opening by etching with a second photoresist. This simplifies the process. Further, the areas of the first resist mask and the second resist mask are reduced, and the generation of the altered layer is suppressed. Etching is less likely to be hindered by the altered layer, and the first resist mask and the second resist mask are effectively removed.
(4) In the step of etching using the second mask, the region overlapping the first opening and the third opening of the semiconductor layer is etched up to the first layer, and the third opening of the semiconductor layer is etched. A terrace including the first layer, the light absorption layer, the second layer and the third layer is formed in a region sandwiched between the portion and the fourth opening, and the second opening and the fourth opening are formed. A groove reaching the semiconductor substrate may be formed at a position overlapping the opening. By etching twice, a mesa and an n-type contact region can be formed, which simplifies the process.
(5) The n-type contact region may be located between the terrace and the groove. The distance between the second electrode and the light absorption layer can be reduced, and the dark current caused by lattice defects and impurities in the first layer can be reduced.
(6) The first mask has the first opening in a grid pattern, the second mask has the second opening in a grid pattern overlapping the first opening, and the second mask is attached. In the step of etching the semiconductor layer using the semiconductor layer, a plurality of mesas may be formed in a region of the semiconductor layer surrounded by the third opening.
(7) The width of the second opening may be 10 times or more the width of the first opening, and the width of the fourth opening may be 10 times or more the width of the third opening. As a result, etching with a microloading effect is performed.
(8) The first layer may be an n-type superlattice layer, and the second layer may be a p-type superlattice layer. The second electrode connected to the first layer has an n-type conductive type, and the first electrode connected to the first layer has a p-type conductive type.
(9) A step of forming an insulating film covering the upper surface and the side surface of the mesa and the terrace, respectively, and a fifth opening located on the mesa, the n-type contact region, and the groove in the insulating film. It has a step of forming a sixth opening located above, the first electrode is in contact with the third layer exposed from the fifth opening, and the second electrode is the sixth. It may come into contact with the first layer exposed from the opening. The insulating film insulates the second electrode from the light absorbing layer and the second layer. Further, the compound semiconductor layer can be protected by the insulating film.
(10) A semiconductor substrate formed of a compound semiconductor, a first conductive type first layer, a light absorption layer, a second conductive type second layer, and the second conductive type, which are sequentially laminated on the semiconductor substrate. A semiconductor layer including the conductive type third layer of the above, and having a mesa, a terrace, an n-type contact region and a groove formed from the central side to the outer peripheral side of the semiconductor substrate, and the third layer provided on the mesa. A first electrode electrically connected to the layer and a second electrode provided from above the terrace to the inside of the groove and in contact with and electrically connected to the first layer in the n-type contact region. The mesa and the terrace include the first layer, the light absorbing layer, the second layer and the third layer, and the n-type contact region is a light receiving light formed by the first layer. It is an element. As a result, the second electrode and the first layer can be electrically connected in the n-type contact region. Further, since the second electrode does not have to be provided between the mesas, the pitch between the mesas can be reduced.
[本願発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係る受光素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of Embodiments of the present invention]
Specific examples of the light receiving element and the method for manufacturing the light receiving element according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to these examples, and is indicated by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
(第1実施形態)
図1(a)は第1実施形態に係る受光素子100を例示する平面図である。図1(b)は図1(a)の線A−Aに沿った断面図である。図中の黒点は複数のメサ13などが設けられていることを示す。
(First Embodiment)
FIG. 1A is a plan view illustrating the
(受光素子100)
図1(a)に示すように受光素子100は矩形のチップであり、一辺は例えば5mm以上、20mm以下である。図1(b)に示すように、受光素子100は、半導体基板10と半導体層11とを備える。半導体基板10は、例えば厚さ300μm以上、700μm以下のn型ガリウムアンチモン(GaSb)により形成されている。半導体層11は、半導体基板10に近い方から順に、n型半導体層12(第1層)、光吸収層14、p型半導体層16(第2層)、およびp型コンタクト層18(第3層)を積層したものである。n型半導体層12と半導体基板10との間に例えばGaSbからなるバッファ層を設けてもよい。半導体基板10の下面(半導体層11とは反対側の面)には反射防止膜21が設けられている。
(Light receiving element 100)
As shown in FIG. 1A, the
n型半導体層12は、例えばGaSb層とインジウム砒素層とを積層し、シリコン(Si)をドープしたn型GaSb/InAs超格子構造を有する。厚さは例えば1〜5μmであり、ドーピング濃度は例えば2×1018cm−3である。光吸収層14は、例えばノンドープGaSb/InAs超格子構造を有し、厚さは例えば1〜4μmである。p型半導体層16は、例えばベリリウム(Be)をドープしたp型GaSb/InAs超格子構造を有する。厚さは例えば0.2〜0.8μmであり、ドーピング濃度は例えば2×1018cm−3である。超格子構造はタイプIIのバンド構造を有している。p型コンタクト層18は例えばp型GaSbで形成され、厚さは例えば0.05〜0.4μmである。
The n-
n型半導体層12、p型半導体層16およびp型コンタクト層18は赤外光に対して高い透過率(例えば90%以上)を有し、赤外光を透過させる。光吸収層14は、例えば波長3〜15μmなどの赤外光を受光する。すなわち、赤外光を例えば半導体基板10側から入射すると、受光素子100の光吸収層14において光電変換され、光吸収層14はフォトキャリア(電子および正孔)を発生させる。すなわち受光素子100はフォトダイオードとして機能する。受光素子100と接続された読み取り回路などにはフォトキャリアに起因した電流が流れ、電流に基づいて例えば画像情報を生成する。
The n-
受光素子100の半導体基板10の中央側から外周側にかけて、メサ13、テラス15および19、溝17が形成されている。複数のメサ13は、受光素子100の中央部に2次元アレイ状に設けられている。メサ13、テラス15および19はn型半導体層12、光吸収層14、p型半導体層16およびp型コンタクト層18を含む。各メサ13がフォトダイオードとして機能する。溝17はn型半導体層12に達している。メサ13の高さはテラス15の高さと等しい。メサ13間はn型半導体層12に達する溝で分離され、かつn型半導体層12により電気的に接続される。メサ13の設けられた領域を囲むようにテラス15が設けられている。テラス15よりも外周側には、テラス15を囲む溝17が設けられ、溝17はさらに外周側のテラス19に囲まれる。
A
テラス15と溝17との間にn型コンタクト領域12aが設けられ、溝17とテラス19との間にn型コンタクト領域12bが設けられている。図1(a)に示すように、n型コンタクト領域12aはテラス15を囲み、n型コンタクト領域12bは溝17を囲む。図1(b)に示すように、n型コンタクト領域12aおよび12bは台地状の領域であり、n型半導体層12で形成され、電極24と接触する。溝17はn型コンタクト領域12aおよび12bに挟まれている。
An n-
図1(a)および図1(b)に示すメサ13のピッチ(隣り合うメサ13間の距離)P1は例えば0.5〜3μmである。テラス15の幅W1は例えば50〜100μm、溝17の幅W2は例えば20〜290μm、テラス19の幅W3は例えば55〜300μmである。テラス15の幅W1はメサ13の幅よりも大きく、例えばメサ13の幅の2倍以上である。図1(b)に示すn型コンタクト領域12aの幅W4は例えば3〜30μm、n型コンタクト領域12bの幅W5は例えば0〜30μmである。つまりn型コンタクト領域12bは設けられなくてもよい。
The pitch (distance between adjacent mesas 13) P1 of the
図1(b)に示すように、メサ13、テラス15および19の表面(上面および側面)は、絶縁膜20により覆われている。絶縁膜20は、例えば厚さ100〜400nmの酸化シリコン(SiO2)または窒化シリコン(SiN)などの絶縁体により形成されている。絶縁膜20は、メサ13の上に開口部20a(第5開口部)を有し、テラス15および19間に開口部20b(第6開口部)を有する。開口部20aからはp型コンタクト層18が露出し、開口部20bからはn型半導体層12および半導体基板10が露出する。n型コンタクト領域12aおよび12b、溝17は開口部20bの内側に位置する。
As shown in FIG. 1 (b), the surfaces (top and side surfaces) of the
電極22はメサ13の上に設けられ、開口部20aから露出するp型コンタクト層18に接触する。電極24は、テラス15の上から溝17の内側、およびテラス19の上にかけて設けられ、n型コンタクト領域12aおよび12bにおいてn型半導体層12に接触し、溝17の内側において半導体基板10に接触する。p型半導体層16、p型コンタクト層18および電極22は互いに電気的に接続されている。p型半導体層16およびp型コンタクト層18はp型半導体層であり、電極22はp型電極として機能する。n型半導体層12と電極24とは、n型コンタクト領域12aおよび12bにおいて電気的に接続されている。n型半導体層12はp型半導体層16などとは異なる導電型を有し、n型半導体層である。電極24はn型電極として機能し、基準電位(例えばグランド電位)を有する。電極22および24は、例えば下から順に積層したチタン(Ti)、白金(Pt)および金(Au)で形成されている。電極22および24の上に、例えばインジウム(In)などで形成されたバンプが設けられてもよい。バンプは、受光素子100と読み出し回路との電気的な接続に用いられる。
The
(受光素子100の製造方法)
図2(a)および図2(b)、図4(a)から図4(c)、図6(a)から図6(c)は受光素子100の製造方法を例示する断面図である。図3(a)は受光素子100の製造方法を例示する平面図であり、図3(b)は図3(a)の線A−Aに沿った断面図である。図5(a)は受光素子100の製造方法を例示する平面図であり、図5(b)は図5(a)の線A−Aに沿った断面図である。
(Manufacturing method of light receiving element 100)
2 (a) and 2 (b), FIGS. 4 (a) to 4 (c), and 6 (a) to 6 (c) are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the
図2(a)に示すように、ウェハ状態の半導体基板10の上に、n型半導体層12、光吸収層14、p型半導体層16およびp型コンタクト層18を順にエピタキシャル成長する。n型半導体層12の成長に先立ち、バッファ層を半導体基板10の上に成長してもよい。成長には、例えば有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法または分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法などを用いることができる。p型コンタクト層18の上面に、例えば厚さ0.5〜2μmのSiNまたはSiO2などの絶縁体で形成された絶縁体膜マスク層40(第1マスク)を設ける。絶縁体膜マスク層40の上に厚さ1〜3μmのフォトレジストを塗布し、レジストパターニングを行うことで、レジストマスク42(第1レジストマスク)を形成する。レジストマスク42には開口部42aおよび42bが形成され、絶縁体膜マスク層40は開口部42aおよび42bから露出する。
As shown in FIG. 2A, an n-
図2(b)に示すように、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより絶縁体膜マスク層40を成型する。レジストマスク42の開口部42aおよび42bから露出する絶縁体膜マスク層40が除去され、絶縁体膜マスク層40の中央側に開口部40a(第1開口部)が形成され、外周側には中央部を囲むような開口部40b(第2開口部)が形成される。開口部40aおよび40bからはp型コンタクト層18が露出する。
As shown in FIG. 2B, the insulator
図3(a)に示すように、開口部40bは開口部40aから離間している。開口部40aは例えば格子状であり、開口部40bは開口部40aを囲むリング状の開口部である。図3(a)および図3(b)に示すように、レジストマスク42を除去した後、例えばハロゲン系ガスを用いたドライエッチングを行う。図3(a)に斜線で示した領域がエッチングされる部分である。半導体層11のうち、開口部40aまたは40bから露出する部分がエッチングされ、溝41および43が形成される。開口部40aおよび溝41の幅W6は、例えば図1(a)および図1(b)に示したピッチP1と等しく、0.5〜3μmである。開口部40bおよび溝43の幅W7は、例えば図1(a)および図1(b)に示した溝17の幅W2と等しく、例えば20〜290μmである。このとき、幅の小さい開口部40a内よりも、幅の大きい開口部40b内においてエッチングが大きく進行する(マイクロローディング効果)。エッチング時間は、開口部の幅、半導体層11の材料、および所望のエッチングの深さなどに応じて定める。
As shown in FIG. 3A, the
図4(a)に示すように、絶縁体膜マスク層40の上にフォトレジストを塗布し、レジストパターニングを行うことでレジストマスク44(第2レジストマスク)を形成する。レジストマスク44は、半導体層11の溝41を覆い、開口部44aを有する。レジストマスク44の開口部44aは半導体層11の溝43および絶縁体膜マスク層40の開口部40bよりも大きく、開口部44aの内側に溝43および開口部40bが位置する。絶縁体膜マスク層40のうち、開口部40aに隣接する領域40cおよび40dは開口部44aから露出する。領域40cは溝43と溝41との間に位置し、領域40dは溝43よりも外周側に位置する。領域40cの幅は例えば10〜50μmであり、領域40dの幅は例えば0〜50μmである。つまり領域40dはなくてもよい。
As shown in FIG. 4A, a photoresist is applied on the insulator
図4(b)に示すように、レジストマスク44をマスクとし、例えばフッ酸などを用いたウェットエッチングにより、絶縁体膜マスク層40の領域40cおよび40dを除去する。これにより、絶縁体膜マスク層40(第2マスク)には、開口部40bと重なる位置に、開口部40bよりも大きな開口部40e(第4開口部)が形成される。開口部40aは残存する(第3開口部)。図4(c)に示すように、レジストマスク44を除去し、絶縁体膜マスク層40は残存させる。
As shown in FIG. 4B, the resist
図5(a)および図5(b)に示すように、絶縁体膜マスク層40および例えばハロゲン系ガスを用い、半導体層11をドライエッチングする。図5(a)の斜線の領域がエッチングされる部分である。エッチング時間は、開口部の幅、半導体層11の材料、および所望のエッチングの深さなどに応じて定める。マイクロローディング効果により、絶縁体膜マスク層40の開口部40a内よりも、開口部40e内においてエッチングは大きく進行する。開口部40a内では、図3(b)に示した溝41がさらにエッチングされ、n型半導体層12に到達する溝が形成される。開口部40e内では、溝43がさらにエッチングされ、半導体基板10まで到達する溝17が形成される。半導体層11のうち、格子状の開口部40aに囲まれた領域にメサ13が形成され、開口部40aと開口部40eとに挟まれた領域にテラス15が形成される。すなわち、図5(a)に示すように、2次元アレイ状に並ぶ複数のメサ13が形成され、その外側にリング状の溝17およびテラス15が形成される。半導体層11のうち溝17の両側の部分はn型半導体層12までエッチングされ、n型コンタクト領域12aおよび12bが形成される。開口部40eよりも外周側にはテラス19が形成される。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the
図6(a)に示すように、絶縁体膜マスク層40を除去した後、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により絶縁膜20を形成する。絶縁膜20はメサ13、テラス15および19の表面、溝17の底面を覆う。図6(b)に示すように、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチング、またはバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングなどにより、絶縁膜20をエッチングし、開口部20aおよび20bを形成する。溝17、n型コンタクト領域12aおよび12bは開口部20bの内側に位置する。
As shown in FIG. 6A, after removing the insulating
図6(c)に示すように、例えば蒸着法およびリフトオフ法により、電極22および24を設ける。電極22は開口部20aから露出するp型コンタクト層18に接触する。テラス15の上から、n型コンタクト領域12aの表面、溝17の内側、さらにn型コンタクト領域12bの上にかけて電極24を設ける。電極24はn型コンタクト領域12aおよび12bにおいてn型半導体層12に接触し、溝17内において半導体基板10に接触する。半導体基板10の下面に反射防止膜21を形成し、ウェハをダイシングすることで受光素子100を形成する。なお、例えば電極22および24の上にバンプを設けてもよい。
As shown in FIG. 6 (c), the
(比較例1)
図7(a)は比較例1に係る受光素子100Rを例示する断面図である。第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。図7(a)に示すメサ13間のピッチP2は、図1(b)に示したピッチP1より大きい。このため、メサ13間に電極24を設けることができる。しかし、ピッチP2が大きいため受光素子100Rに形成できるメサ13の数が受光素子100よりも少なく、例えば赤外線センサとして用いた際の画素数が小さくなる。画素数を多くするためにはメサ13を多く設ければよいが、受光素子100Rが大型化してしまう。
(Comparative Example 1)
FIG. 7A is a cross-sectional view illustrating the
(比較例2)
図7(b)は比較例2に係る受光素子200Rを例示する断面図である。第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。メサ13間のピッチは比較例1のP2よりも小さいP1である。このためメサ13を多く設けることができるが、メサ13間に電極24を設けることは困難である。このため、メサ13よりも半導体基板10の外周側に位置する溝17aに電極24を設ければよい。
(Comparative Example 2)
FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating the
比較例2においては、メサ13、テラス15および19、溝17aを、一回のエッチングで形成する。すなわち、溝17aは、メサ13間の溝と同時に形成される。しかし、マイクロローディング効果により、幅の小さいメサ13間よりも、幅の大きいテラス15〜19間の領域において、エッチングの進行度が大きくなり、エッチングがn型半導体層12で停止しない。この結果、図7(b)に破線で示すように、半導体基板10まで達する溝17bが形成されてしまう。この場合、n型半導体層12と電極24とを電気的に接続することが困難である。n型半導体層12を厚くすることで、n型半導体層12を底面に持つ溝17aを形成できる。しかしn型半導体層12の結晶欠陥が発生し、暗電流が増加する恐れがある。
In Comparative Example 2, the
(比較例3)
図7(c)は比較例3に係る受光素子の製造方法を例示する断面図である。図7(c)に示すように、絶縁体膜マスク層40を成型するために、レジストマスク42を用いる。比較例3におけるレジストマスク42は開口部42aを有するが、開口部42bは有さない。レジストマスク42を用いたエッチングにより絶縁体膜マスク層40を成形し、絶縁体膜マスク層40を用いたエッチングによりメサ13を形成する。その後、メサ13を覆うマスクを用いたエッチングにより、テラスおよび溝などを形成する。しかしレジストマスク42の面積が大きいため、エッチングの際にレジストマスク42から変質層が発生する恐れがある。変質層により、エッチングが阻害され、またエッチング後のレジストマスクの除去が困難になる。
(Comparative Example 3)
FIG. 7C is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the light receiving element according to Comparative Example 3. As shown in FIG. 7C, a resist
これに対し、本実施形態によれば、図3(a)および図3(b)に示すように開口部40aおよび40bを有する絶縁体膜マスク層40を用いて半導体層11をエッチングし、さらに図5(a)および図5(b)に示すように開口部40aおよび40eを有するマスクを用いて半導体層11をエッチングする。開口部40aは開口部40bおよび40eとは離間している。また、開口部40bおよび40eの幅は開口部40aよりも大きい。このため、エッチングは開口部40a内よりも開口部40bおよび40e内で大きく進行する。これにより、メサ13、テラス15および19を形成し、かつ開口部40e内に溝17、n型コンタクト領域12aおよび12bを形成する。図6(c)に示すように、電極24はn型コンタクト領域12aおよび12bの上に形成され、n型半導体層12に接触する。
On the other hand, according to the present embodiment, the
すなわち、エッチングを二回行うことで、メサ13よりも受光素子100の外周側にn型コンタクト領域12aおよび12bを形成し、n型コンタクト領域12aおよび12bにおいて電極24とn型半導体層12とを電気的に接続することができる。電極24が光吸収層14の近くに位置するため、暗電流を低減することができる。メサ13間に電極を設けなくてよいため、図1(a)および図1(b)に示すようにメサ13間のピッチP1を小さくすることができる。多数のメサ13を形成することで、受光素子100の高画素化などが可能となる。
That is, by performing etching twice, n-
半導体層11のうち、一回目のエッチングの際に絶縁体膜マスク層40に覆われ、かつ二回目のエッチングの際に開口部40eから露出する領域が、二回目のエッチング後にn型コンタクト領域12aおよび12bになる。このようにエッチングの範囲を調整することでn型コンタクト領域12aおよび12bを形成できるため、工程が簡略化される。また、二回のエッチングにより、メサ13、溝17、テラス15および19、n型コンタクト領域12aおよび12bが形成されるため、工程が簡略化される。
Of the
図4(a)および図4(b)に示すように、絶縁体膜マスク層40の開口部40bに隣接する部分を除去することにより、開口部40eを形成する。言い換えれば、開口部40bを大きくすることで開口部40eを形成する。これにより工程が簡略化される。例えば、一回目のエッチングの後に絶縁体膜マスク層40を除去し、溝43を含む幅広の開口部を有する別のマスクを設け、そのマスクを用いて二回目のエッチングを行ってもよい。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
図2(a)に示すように絶縁体膜マスク層40を成型するためのレジストマスク42は開口部42bを有し、図4(a)に示すようにレジストマスク44は開口部44aを有する。こうしたレジストマスク42および44を用いて絶縁体膜マスク層40をエッチングすることで、絶縁体膜マスク層40に開口部40a、40bおよび40eを形成する。このため工程が簡略化される。また、レジストマスク42および44が幅広の開口部42bおよび44aを有する。このため、比較例3に比べて、レジストマスク42および44の面積が小さくなり、変質層の発生が抑制される。これにより変質層によるエッチングの阻害は発生しにくく、レジストマスク42および44の除去も効果的に行われる。
As shown in FIG. 2A, the resist
図1(b)に示すように、n型コンタクト領域12aは、テラス15と溝17との間に位置する。これにより、電極24と光吸収層14との距離を小さくすることができる。すなわち、光吸収層14と電極24との間に介在するn型半導体層12の体積が小さくなる。このため、例えばn型半導体層12の格子欠陥および不純物などに起因する暗電流を低減することができる。
As shown in FIG. 1 (b), the n-
図3(a)および図5(a)に示したように、絶縁体膜マスク層40の開口部40aは格子状である。図5(b)に示したように、エッチングにより、開口部40aに囲まれた部分にメサ13が形成される。複数のメサ13は2次元アレイ状に配置される。開口部40aの幅W6を小さくすることにより、メサ13間のピッチP1を小さくすることができる。多数のメサ13を形成することで、受光素子100の高画素化が可能となる。開口部40aは格子状でなく、例えば複数本の溝でもよい。半導体層11のうち開口部40aに挟まれた領域にメサ13が形成される。
As shown in FIGS. 3A and 5A, the
図3(a)および図3(b)に示す開口部40bの幅W7は、開口部40aの幅W6の例えば10倍以上である。図5(a)および図5(b)に示す開口部40eの幅は開口部40aの幅の例えば10倍以上である。これによりマイクロローディング効果を伴うエッチングが行われる。すなわち、開口部40a内に比べ、開口部40bおよび40e内においてエッチングの進行度が大きくなる。この結果、溝17、n型コンタクト領域12aおよび12bを形成することができる。
The width W7 of the
絶縁膜20は、メサ13およびテラス15それぞれの上面および側面を覆う。これにより半導体層11を異物および水分などから保護することができる。また、光吸収層14、p型半導体層16およびp型コンタクト層18と電極24との間に絶縁膜20が介在するため、これらは絶縁される。なお、エッチングは上から行うため、テラス15および19の側面を覆う絶縁膜20のうち一部のみを除去し、n型半導体層12の側面を露出させることは困難である。したがって、図6(b)に示すように、平坦なn型コンタクト領域12aおよび12bを設け、その上の絶縁膜20を除去して開口部20bを形成することが好ましい。絶縁膜20の開口部20aにおいて、電極22とp型コンタクト層18とが接触し、開口部20bにおいて電極24とn型半導体層12とが接触する。これにより電極22はp型電極、電極24はn型電極として機能する。
The insulating
電極24はテラス15の上から、n型コンタクト領域12a、溝17およびn型コンタクト領域12bにかけて設けられ、これらの表面を覆う。このため電極24の接合強度が向上し、剥離および断線などが抑制される。電極24はn型コンタクト領域12aおよび12bの上面および側面に接触するため、接触抵抗が低下する。なお、n型コンタクト領域12aにおいて電極24とn型半導体層12とを接続することができるため、n型コンタクト領域12bは設けなくてもよい。
The
n型半導体層12、光吸収層14およびp型半導体層16は、それぞれ異なる半導体層を含む超格子構造を有する。例えば、n型半導体層12はGaSb/InAsのn型超格子層であり、p型半導体層16はGaSb/InAsのp型超格子層である。これらの層の格子欠陥および不純物などに起因して暗電流が発生する恐れがある。電極22をメサ13の上、電極24をn型コンタクト領域12aおよび12b上に設けることで、電極22および24と光吸収層14との距離が小さくなる。この結果、暗電流を抑制することができる。各層の材料を変更してもよい。例えば光吸収層14は、GaSb/InAsSb超格子層でもよい。また、超格子構造を有する半導体層11は、GaSbの半導体基板10と格子整合する。半導体基板10は他の化合物半導体で形成されてもよい。
The n-
n型半導体層12とp型半導体層16とは互いに異なる導電型を有していればよく、層のうち一方をn型、他方をp型とする。n型半導体層12、光吸収層14およびp型半導体層16は、GaSb/InAs超格子構造以外の化合物半導体など、他の半導体で形成されてもよい。光吸収層14は赤外光帯域とは異なる波長の光を吸収し、n型半導体層12およびp型半導体層16が当該波長の光に対して高い透過率(例えば90%以上)を有してもよい。半導体基板10はGaSbで形成されるとしたが、他の化合物半導体で形成されてもよい。
The n-
10 半導体基板
11 半導体層
12 n型半導体層
12a、12b n型コンタクト領域
13 メサ
14 光吸収層
15、19 テラス
16 p型半導体層
17、17a、17b、41、43 溝
18 p型コンタクト層
20 絶縁膜
20a、20b、40a、40b、40e、44a 開口部
22、24 電極
40 絶縁体膜マスク層
40c、40d 領域
42、44 レジストマスク
100 受光素子
10
Claims (10)
第1開口部、および前記第1開口部から離間し前記第1開口部よりも幅の大きい第2開口部を有する第1マスクを、前記半導体層の上に形成する工程と、
前記半導体層のうち、前記第2開口部内において前記第1開口部内の部分よりもエッチングが進行するように、前記第1マスクを用いて前記半導体層をエッチングする工程と、
前記第1開口部に重なる第3開口部と、前記第2開口部に重なりかつ前記第2開口部よりも幅の大きい第4開口部と、を有する第2マスクを、前記半導体層の上に形成する工程と、
前記半導体層のうち前記第3開口部に挟まれた領域にメサが形成され、前記第4開口部内に第1層からなるn型コンタクト領域が形成されるように、前記第2マスクを用いて前記半導体層をエッチングする工程と、
前記メサの上に前記第3層と電気的に接続される第1電極を形成し、前記n型コンタクト領域の上に前記第1層と電気的に接続される第2電極を形成する工程と、を有し、
前記メサは前記第1層、前記光吸収層、前記第2層および前記第3層を含み、
前記半導体層のうち、前記第1マスクに覆われ、かつ前記第2マスクの前記第4開口部から露出する領域が、前記第2マスクを用いたエッチングの後、前記n型コンタクト領域になる受光素子の製造方法。 A first conductive type first layer, a light absorption layer, a second conductive type second layer, and the second conductive type third layer, which are sequentially laminated on a semiconductor substrate formed of a compound semiconductor. And the process of growing the semiconductor layer including
A step of forming a first mask having a first opening and a second opening separated from the first opening and having a width larger than that of the first opening on the semiconductor layer.
A step of etching the semiconductor layer using the first mask so that etching proceeds more in the second opening than in the first opening of the semiconductor layer.
A second mask having a third opening that overlaps the first opening and a fourth opening that overlaps the second opening and is wider than the second opening is placed on the semiconductor layer. The process of forming and
The second mask is used so that a mesa is formed in the region of the semiconductor layer sandwiched between the third openings and an n-type contact region composed of the first layer is formed in the fourth opening. The step of etching the semiconductor layer and
A step of forming a first electrode electrically connected to the third layer on the mesa and forming a second electrode electrically connected to the first layer on the n-type contact region. Have,
The mesa includes the first layer, the light absorption layer, the second layer and the third layer.
Of the semiconductor layer, the region covered by the first mask and exposed from the fourth opening of the second mask becomes the n-type contact region after etching with the second mask. Method of manufacturing the element.
前記第2マスクを形成する工程は、第2フォトレジストを用いたエッチングにより、前記第1マスクの前記第2開口部に隣接する部分を除去することで前記第4開口部を形成する工程を含む、請求項1または2に記載の受光素子の製造方法。 The step of forming the first mask includes a step of forming the first opening and the second opening in the first mask by etching with the first photoresist.
The step of forming the second mask includes a step of forming the fourth opening by removing a portion of the first mask adjacent to the second opening by etching with a second photoresist. The method for manufacturing a light receiving element according to claim 1 or 2.
前記第2マスクは、前記第1開口部と重なる格子状の前記第3開口部を有し、
前記第2マスクを用いて前記半導体層をエッチングする工程において、前記半導体層のうち前記第3開口部に囲まれた領域に複数のメサが形成される請求項1から5のいずれか一項に記載の受光素子の製造方法。 The first mask has the first opening in a grid pattern.
The second mask has the third opening in a grid pattern that overlaps with the first opening.
According to any one of claims 1 to 5, in the step of etching the semiconductor layer using the second mask, a plurality of mesas are formed in a region of the semiconductor layer surrounded by the third opening. The method for manufacturing a light receiving element according to the description.
前記第4開口部の幅は前記第3開口部の幅の10倍以上であり、かつ前記第2開口部の幅よりも大きい請求項1から6のいずれか一項に受光素子の製造方法。 The width of the second opening is 10 times or more the width of the first opening.
The method for manufacturing a light receiving element according to any one of claims 1 to 6, wherein the width of the fourth opening is 10 times or more the width of the third opening and is larger than the width of the second opening.
前記第2層はp型超格子層である請求項1から7のいずれか一項に記載の受光素子の製造方法。 The first layer is an n-type superlattice layer.
The method for manufacturing a light receiving element according to any one of claims 1 to 7, wherein the second layer is a p-type superlattice layer.
前記絶縁膜に、前記メサの上に位置する第5開口部と、前記n型コンタクト領域および前記溝の上に位置する第6開口部とを形成する工程と、を有し、
前記第1電極は、前記第5開口部から露出する前記第3層と接触し、
前記第2電極は、前記第6開口部から露出する前記第1層と接触する請求項4に記載の受光素子の製造方法。 A step of forming an insulating film covering the upper surface and the side surface of the mesa and the terrace, respectively.
The insulating film has a step of forming a fifth opening located above the mesa, the n-type contact region, and a sixth opening located above the groove.
The first electrode comes into contact with the third layer exposed from the fifth opening, and is brought into contact with the third layer.
The method for manufacturing a light receiving element according to claim 4 , wherein the second electrode comes into contact with the first layer exposed from the sixth opening.
前記半導体基板上に順に積層された第1の導電型の第1層、光吸収層、第2の導電型の第2層、および前記第2の導電型の第3層を含み、前記半導体基板の中央側から外周側にかけて、メサ、テラス、n型コンタクト領域および溝が、この順に形成された半導体層と、
前記メサの上に設けられ、前記第3層と電気的に接続された第1電極と、
前記テラスの上、前記n型コンタクト領域、および前記溝の内側に、連続的に設けられ、前記n型コンタクト領域において前記第1層と接触し、かつ電気的に接続された第2電極と、を具備し、
前記n型コンタクト領域は前記テラスと前記溝との間に位置し、
前記メサおよび前記テラスは前記第1層、前記光吸収層、前記第2層および前記第3層を含み、
前記n型コンタクト領域は前記第1層で形成されている受光素子。
A semiconductor substrate made of a compound semiconductor and
The semiconductor substrate includes a first conductive type first layer, a light absorption layer, a second conductive type second layer, and the second conductive type third layer which are sequentially laminated on the semiconductor substrate. A semiconductor layer in which mesas, terraces, n-type contact regions and grooves are formed in this order from the central side to the outer peripheral side of the semiconductor layer.
A first electrode provided on the mesa and electrically connected to the third layer,
A second electrode that is continuously provided on the terrace, inside the n-type contact region, and inside the groove, is in contact with the first layer in the n-type contact region, and is electrically connected to the first layer. Equipped with
The n-type contact region is located between the terrace and the groove.
The mesa and the terrace include the first layer, the light absorption layer, the second layer and the third layer.
The n-type contact region is a light receiving element formed of the first layer.
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